Forskere viser, hvordan salt sænker reaktionstemperaturerne for at fremstille nye materialer

Et skvæt salt kan forenkle skabelsen af ​​todimensionelle materialer, og tak til Rice University-forskere, årsagen er ved at blive klar.

Boris Yakobson, en risprofessor i materialevidenskab og nanoteknik og i kemi, var go-to-eksperten, da en gruppe laboratorier i Singapore, Kina, Japan og Taiwan brugte salt til at lave et "bibliotek" af 2-D materialer, der kombinerede overgangsmetaller og kalkogener.

Disse forbindelser kan føre til mindre og hurtigere transistorer, solcelleanlæg, sensorer og katalysatorer, ifølge forskerne.

Gennem første-princip molekylær dynamik simuleringer og nøjagtige energiberegninger, Yakobson og hans kolleger fastslog, at salt reducerer den temperatur, ved hvilken nogle elementer interagerer i en kemisk dampaflejringsovn (CVD). Det gør det lettere at danne atomtykke lag, der ligner grafen, men med potentialet til at tilpasse deres kemiske sammensætning til specifikt lagmateriale og dermed elektriske, optisk, katalytiske og andre nyttige egenskaber.

Forskerholdet inklusive Yakobson og Rice postdoc-forsker Yu Xie og kandidatstuderende Jincheng Lei rapporterede sine resultater i denne uge i Natur .

Holdet ledet af Zheng Liu fra Nanyang Technological University i Singapore brugte sin erfarne teknik med CVD til at skabe 47 forbindelser af metalchalcogenider (som indeholder et chalcogen og et elektropositivt metal). De fleste af de nye forbindelser havde to ingredienser, men nogle var legeringer af tre, fire og endda fem. Mange af materialerne var blevet forestillet og endda eftertragtede, Yakobson sagde, men aldrig lavet.

I CVD-processen, atomer exciteret af temperaturer - i dette tilfælde mellem 600 og 850 grader Celsius (1, 112 og 1, 562 grader Fahrenheit) - danner en gas og sætter sig til sidst på et substrat, kobling til atomer af komplementær kemi for at danne monolagskrystaller.

Forskere havde allerede mistanke om, at salt kunne lette processen, sagde Yakobson. Liu kom til ham for at anmode om en molekylær modelanalyse for at finde ud af, hvorfor salt gjorde det lettere at smelte metaller med kalkogener og få dem til at reagere. Det ville hjælpe dem med at lære, om det kunne fungere inden for den bredere palet af det periodiske system.

"De lavede et imponerende bredt arbejde for at lave en masse nye materialer og karakterisere hvert af dem omfattende, " sagde Yakobson. "Fra vores teoretiske perspektiv, nyheden i denne undersøgelse er, at vi nu har en bedre forståelse af, hvorfor tilsætning af almindeligt salt sænker smeltepunktet for disse metaloxider og især reducerer energibarriererne for mellemprodukterne på vej til at omdanne dem til chalcogenider."

Uanset om det er i form af almindeligt bordsalt (natriumchlorid) eller mere eksotiske forbindelser som kaliumiodid, salt viste sig at tillade kemiske reaktioner ved at sænke den energiske barriere, der ellers forhindrer molekyler i at interagere ved noget mindre end ultrahøje temperaturer, sagde Yakobson.

"Jeg kalder det et 'saltoverfald' '" sagde han. "Dette er vigtigt for syntese. Først, når du prøver at kombinere faste partikler, uanset hvor små de er, de har stadig begrænset kontakt med hinanden. Men hvis du smelter dem, med salts hjælp, man får meget kontakt på det molekylære plan.

"Sekund, salt reducerer sublimationspunktet, hvor et fast stof gennemgår en faseomdannelse til gas. Det betyder, at flere af materialets komponentmolekyler hopper ind i gasfasen. Det er godt for generelle transport- og kontaktproblemer og hjælper på reaktionen generelt."

Rice-teamet opdagede, at processen ikke letter dannelsen af ​​selve 2-D-materialet direkte, så meget som det tillader dannelsen af ​​mellemliggende oxychlorider. Disse oxychlorider fører derefter til 2-D chalcogenidvækst.

Detaljering af denne proces krævede intensive atom-for-atom-simuleringer, sagde Yakobson. These took weeks of heavy-duty computations of the quantum interactions among as few as about 100 atoms – all to show just 10 picoseconds of a reaction. "We only did four of the compounds because they were so computationally expensive, and the emerging picture was clear enough, " sagde Yakobson.